Лабник к работе №10 (Лабораторная работа №10)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ,

ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждено учебным управлением МЭИ

Лабораторная работа №10

по курсу Тепломассообмен

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

(Продолжительность лабораторного занятия — 4 ч)

Москва

Издательство МЭИ

1992

Цель работы

Задачей работы является углубление и закрепление зна­ний по теории конвективного теплообмена 'При свободном движении жидкости, ознакомление с методикой опытного исследования процесса и получение навыков в проведении эксперимента.

В результате выполнения работы должны быть усвоены ключевые понятия: свободное движение жидкости, 'плот­ность теплового 'потока в коэффициент теплоотдачи 'как мера интенсивности 'конвективного теплообмена; получена зави­симость теплоотдачи от различных 'факторов.

Задание

И. Изучить по учебнику и конспекту лекций раздел «Теп­лоотдача при свободном движении жидкости».

2. На лабораторной установке определить опытное зна­чение среднего 'коэффициента теплоотдачи капельной жид­кости (воды) около 'горизонтальной трубы, и его зависимость от температурного напора. Построить график функции а=

~/(Д*).

3. Результаты обработки опытных данных представить

в .критериальном виде.

Построить график функции Nu=/(Gr-P'r) в логарифми­ческих координатах.

•Сравнить полученные данные с существующей расчетной

рекомендацией.

4. Проанализировать физический смысл исследованной зависимости теплоотдачи при свободном движении капель­ной жидкости.

Общие сведения о процессе

Свободным называют движение жидкости (газ, капель­ная жидкость), возникающее под воздействием массовых (объемных) сил. Примером такого движения служит дви­жение жидкости В' гравитационном поле вследствие наличия разности ее плотностей в различных точках пространства. Если эта разность плотностей обусловлена разностью тем­ператур поверхности тела и жидкости в рассматриваемом объеме, то возникающий при этом 'конвективный теплообмен между телом и жидкостью называют теплоотдачей при сво­бодной конвекции.

Характерной особенностью рассматриваемого явления является взаимосвязь процессов движения и теплообмена. Увеличение градиента температуры ведет -к увеличению гра­диента плотности жидкости, что в свою очередь определяет ее (Гравитационное движение. Скорость гравитационного дви­жения непосредственно влияет <на интенсивность конвектив­ного теплообмена, 'характеризуемого коэффициентом тепло­отдачи ее, Вт/(м²-К)

а=?с/(^/ж).' ('!)

Основные факторы, определяющие интенсивность теплоот­дачи: температурный напор, физические свойства жидкости, форма, размер и 'положение теплоотдающей поверхности в пространстве.

Анализ процесса теплоотдачи лри свободной конвекции методом -подобия (показывает, что определяющими критерия­ми подобия являются числа Грасгофа (Gr) и Прайд тля (Рг), а расчетное уравнение для определения средних коэффи­циентов теплоотдачи горизонтальной трубы, полученное на основе теоретических и 'экспериментальных исследований, имеет вид

Ми_ж>(1=с.(Сгж,<нРгж)^пеь

(2)

где Nu«,d=iadA«, Gr_m,d=<g^^d³/v_K², рг_ж = \>ж/йж, а e_t= (Ргж/Ргс)⁰'²⁵—поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости; индекс «ж» указывает на выбор физических свойств жидкости по температуре >{_ж.

'Постоянные сип зависят от характера движения жид­кости в пограничном слое! Около горизонтальных труб в широком интервале изменения А/ и d сохраняется ламинар­ное движение жидкости. При этом для расчета средних то периметру коэффициентов теплоотдачи рекомендуется сле­дующая формула

Ыи_ж,а = 0,50(Сг.Рг)°.²⁵ж,а-е1. (3)

Описание экспериментальной установки

В данной работе требуется опытным путем определить средний коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции капельной жидкости (воды) около горизонтальной трубы и его зависимость от-температурного напора, сравнить'резуль­таты измерений с расчетным уравнением (3).

Объектом исследования является тонкостенная горизон­тальная цилиндрическая труба, внутри которой помещен электрический стиральный нагреватель из нихромовой про­волоки. Схема экспериментальной установки приведена на стенде. Нагреватель питается от сети переменного тока 220 В через лабораторный автотрансформатор, позволяю­щий регулировать электрическую мощность.

Температура поверхности опытной трубы измеряется при помощи четырех дифференциальных термопар, горячие стаи которых приварены по периметру среднего сечения с внут­ренней ..стороны. Электр-оды термопар протянуты, внутри трубы и выведены к переключателю. Холодный спай (об­щий для всех термопар) термостатируется при температуре воды в емкости, в которую помещен измерительный участок. Постоянство температуры воаьг в емкости обеспечивается двумя холодильниками, подключенными к водопроводной сети. Таким образом, в описанной системе непосредственно регистрируется температурный напор, входящий в выраже­ние '(1).

Размеры .теплоотдающей поверхности опытной трубы: длина /=230 мм, диаметр е?=30 мм.

Измерения и приборы

Для определения 'коэффициента теплоотдачи на основе уравнения (1) необходимо измерить плотность теплового потока q_c и температурный напор At=t_c—/_ж. Плотность теплового потока определяется -электрической мощностью нагревателя., которая измеряется посредством узкопрофиль­ных вольтметра и амперметра типа 3390 (класс точности 0,5). В электроизмерительной схоме установки предусмот­рены два амперметра, поочередно включаемые -кнопкой на приборном щите. Последнее исключает работу в начале шкалы этих приборов, что повышает точность измерения силы тока в нагревателе. Термоэлектродвижущая сила, мВ, дифференциальных термопар регистрируется цифровым вольтметром Щ1213 (класс точности 0,15), работающим в паре с преобразователем (ПИ313 (класс точности 0,5), коэф­фициент усиления которого 1000. Температурный налор ус­танавливается по градуировочной таблице, приведенной в приложении..

Температура воды в рабочем объеме измеряется ртутньш термометром.

Порядок проведения опытов

Ознакомившись с описанием установки и методикой 'Из­мерения, необходимо детально разобраться в схеме непо­средственно на стенде. Далее, убедившись в наличии и пра­вильности подключения всех приборов, включить установку, цифровой вольтметр и преобразователь; с помощью ручки управления лабораторным автотрансформатором установить необходимое значение электрической мощности нагревателя.

Переключатель термопар установить на любую из четы­рех точек и производить визуальные наблюдения- за показа­ниями цифрового вольтметра. Запись показаний цифрового вольтметра Щ1213 и других измерительных приборов про­изводится при наступлении стационарного теплового режи­ма, который определяется по -постоянству, неизменности во времени ЭДС термопар при установленном значении элект­рической мощности нагревателя. Показания приборов фик­сируются не менее двух-трех раз с интервалом в 1—2 мил для каждого опыта. По окончании опыта устанавливается следующее значение электрической мощности нагревателя и проводится новый опыт. Всего необходимо 'провести не менее трех опытов.

Обработка результатов опыта

Для обработки результатов измерений, соответствующих статно парным условиям теплообмена на поверхности изме­рительного участка, рекомендуется использовать табличную форму.,

По измеренным ЭДС термопар определяется темпера­турный- напор Л£ с помощью градуировочной таблицы..

Плотность теплового потока на поверхности опытной трубки

<7с=/-1//(яЛ). (4)

Средняя температура теплоотдающей поверхности

t_c='M-\-t_x. Входящие ib безразмерные комплексы

NUjK.a— ок/Дж, Ог_ж,а=§¹ржЛ|М³Л>ж²,

(5)

физические свойства и критерий Рг_ж выбираются по темпе­ратуре воды /_ж в раб_очем объеме; Рг_с выбирается по темпе­ратуре стенки трубы t_c.

По окончании обработки результатов измерений необхо­димо выполнить следующую графическую часть:

11. Построить график зависимости а—/<(Д/).

12. Построить в критериальной форме график функции вида Nu = /i(Gr-iPr) в логарифмических координатах. Про­вести сравнение результатов опыта в- безразмерном виде с расчетным уравнением (3). Анализ расхождения' резуль­татов выполняется на основе оценки погрешности измере­ний.

Для построения графика № 2 бригаде выдается логариф­мическая бумага, на которой степенная функция линеари­зуется без .предварительного логарифмирования. По двум произвольным значениям ₁(От-Рг)_Жга, охватывающим об­ласть изменения этого произведения в условия» опытов, на основе уравнения (3) вычисляют соответствующие им зна­чения Nu>K,d (значение iet=i(Pr»/Pf_c)⁰'²⁵ в этом случае равно единице). Далее наносят на логарифмическую бумагу ука­занные две точки, через которые проводят прямую, отобра­жающую формулу (3). (Результаты опытов наносятся на этот график в виде зависимости

J5^L »/KGr.prk*J.

^Et

Отчет по работе

Отчет то выполненной работе должен содержать:

— принципиальную- схему установки;

— протокол измерений;

— результаты обработки опытных данных;

— расчет погрешности измерения коэффициента теплоот­дачи;¹

— графики зависимостей a=/('Af) и Nu=/(Gr-P'r).